五年级信息技术：EV3仿生机器人“大象”项目设计与编程

五年级信息技术：EV3仿生机器人“大象”项目设计与编程一、教学内容分析  本节课隶属小学信息技术课程标准中“程序设计”与“数字设备体验”模块，是跨学科项目式学习（PBL）的典型案例。从知识技能图谱看，它以EV3机器人为物理载体，整合了机械结构搭建、顺序与循环结构编程、传感器（触动、陀螺仪）数据采集与条件判断等核心概念。作为单元承上启下的关键节点，学生需在已掌握的直线运动、转向编程基础上，跃升至对复杂仿生动作的分解、流程化设计与调试，这是从单一命令执行到解决综合性工程问题的能力跨越。其过程方法路径深刻体现了计算思维：学生需经历从现实观察（大象鼻子行为）到抽象建模（动作分解为程序模块），再到算法实现（用程序代码指挥硬件）并迭代优化的完整工程探究流程。在素养价值渗透层面，项目超越了技术操作本身，指向“数字化学习与创新”与“信息社会责任”。学生通过模拟生物智慧，感悟仿生学的创造性，在协作调试中培养系统性思维与坚韧品格；同时，引导其思考智能机器人与生命伦理的边界，实现科技理性与人文关怀的融合。  授课对象为五年级学生，他们已具备EV3基础搭建与图形化编程界面操作的经验，对顺序结构有直观理解，但对循环结构与条件判断的逻辑关系尚处于初步感知阶段。学生兴趣点高度集中于让机器人“活”起来，完成有趣任务，但普遍存在“重搭建、轻规划；重试错、轻算法”的倾向，面对多步骤任务时逻辑容易混乱。可能的认知难点在于将连续的生物动作（如“鼻子卷起物品”）精确分解为离散的电机转动角度与等待时间，并协调多个电机同步或顺序工作。基于此，教学将采用“可视化任务分解图”作为通用学习支架，并设计分层任务卡，为不同思维节奏的学生提供支持。课堂中，将通过观察小组算法设计草图、聆听程序解说、分析典型调试案例等形成性评价手段，动态诊断学情，并及时介入，引导从盲目试错转向有计划的验证。二、教学目标  知识目标：学生能理解并表述仿生设计的基本思想；能准确运用“启动电机”、“等待传感器”、“循环”等编程模块，并解释其在模拟大象“行走”、“鼻子触碰卷起”动作中的功能逻辑；能辨析顺序执行与循环控制在实现重复动作时的效率差异。  能力目标：学生能够以小组为单位，遵循“观察分解编程测试”的流程，合作完成仿生大象的机械臂（鼻子）设计与基础行为编程；能够利用传感器反馈数据优化程序，使机器人对环境变化（如触碰障碍）做出预期响应，初步展现问题分解、算法设计与调试优化的综合工程实践能力。  情感态度与价值观目标：在项目探索中激发对仿生学与机器人技术的浓厚兴趣；在小组协作中养成主动倾听、合理分工、包容试错、共享成果的团队合作精神；通过讨论机器人与真实生物的关系，初步形成对技术应用的人文审视意识。  科学（学科）思维目标：重点发展计算思维，具体表现为：能将复杂的仿生动作任务分解为“前进”、“鼻子下降”、“卷曲”、“抬起”等可编程的独立子任务（分解）；能使用流程图或自然语言描述各子任务的执行顺序与条件（模式识别与抽象）；能通过参数调试（如电机功率、时间）逼近预期的动作效果（算法与优化）。  评价与元认知目标：引导学生依据“动作完成度”、“程序简洁性”、“创新性”三项量规，对小组及他组成果进行评价；能通过编写程序注释、复盘调试日志，反思编程策略的有效性，说出“我遇到的困难是…，我尝试用…方法解决了它”。三、教学重点与难点  教学重点：基于任务分解的算法设计，以及利用循环结构与传感器条件判断实现连贯、可交互的仿生动作。确立依据在于，这直接对应课程标准中“使用简单算法解决实际问题”与“通过编程控制设备响应外界信息”的核心能力要求。它是连接具体操作（编程模块）与抽象问题解决（模仿生物行为）的枢纽，掌握了此方法，学生方能举一反三，设计其他仿生或自动化项目，为后续学习复杂控制逻辑奠定坚实基础。  教学难点：多电机协同运动的精确控制与程序调试策略。预设依据源于学情分析：学生需在头脑中同步构建机械传动、程序时序与物理动作三者间的动态映射关系，认知负荷较高。常见表现为程序逻辑正确但实际动作不同步或不到位，学生易陷入无目的的参数反复修改。难点成因在于其跨越了单纯的编程语法，进入了需要综合考量硬件性能与软件逻辑的系统工程领域。突破方向在于提供“动作分步调试法”脚手架，并鼓励学生用慢速演示、口头解说程序的方式将内在思维可视化。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式白板课件，内含大象行为视频片段、仿生大象结构分解图、编程模块速查表；示范用EV3大象机器人一台；预设常见的编程错误案例集。1.2学习资源：分层学习任务单（基础版含流程图提示，挑战版含开放式问题）；小组项目评价量规表；调试记录便签纸。2.学生准备2.1硬件与预习：每4人一组的EV3核心套件（已预搭大象底盘与可动鼻臂基础模型）；已充电的EV3主机；预习任务：观察大象鼻子拾取物体的视频，用3个步骤描述其过程。2.2环境布置：教室布局为岛屿式小组合作区，中央留有作品展示与测试区域；白板划分出“我们的算法”、“精彩瞬间”、“待解难题”三个专栏。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突：同学们，请看这段视频（播放大象用鼻子灵巧地卷起树枝、搬运物体的片段）。大自然的设计堪称完美工程师！如果我们想让手中的EV3机器人也拥有这般灵巧的“象鼻”，完成一个“丛林助教”的任务——比如帮我们捡起地上的教具，你觉得最大的挑战会是什么？“对，就像刚才小A说的，怎么让机械臂既有力又灵活？怎么让它‘知道’什么时候该卷，什么时候该抬？”这和我们之前让小车走直线、转直角可大不一样。2.问题提出与路径明晰：今天，我们就化身仿生工程师，挑战这个项目：设计并编程让我们的EV3大象机器人，完成“前行发现物品用鼻臂卷起搬运”的连贯动作。我们将分三步走：首先，当好“结构分析师”，看懂我们的鼻臂模型如何工作；接着，成为“算法设计师”，把大象的动作翻译成机器能听懂的程序步骤；最后，升级为“调试优化师”，让我们的机器象既聪明又稳定。大家准备好了吗？让我们从第一步开始。第二、新授环节任务一：结构关联与动作分解教师活动：首先，让我们和大象的“身体”打个招呼。请大家观察面前的模型，我请一个小组来指认：哪个电机控制行走？哪个控制鼻臂的抬起和放下？鼻臂末端的“手掌”开合又是谁在负责？（学生指认后）很好，这就建立了硬件与功能的联系。现在，我们来聚焦核心挑战：模拟“卷起”动作。请大家用手模仿一下，这个动作可以分解为哪几个最基础的电机动作？我听到有人说“夹紧”和“转动”，非常棒！我们来把它细化：第一步，鼻臂电机转动，使“手掌”闭合；第二步，臂杆电机转动，使闭合的“手掌”向上卷曲。看，一个复杂动作，被我们分解成了两个明确的电机指令。现在，请各小组在任务单上，用图画或文字，把“前行至物品前放下鼻臂卷起物品抬臂返回”这个完整任务分解成45个电机动作步骤。给大家5分钟。学生活动：观察机器人模型，识别电机与动作的对应关系。小组讨论，用肢体动作模拟“卷起”过程。合作完成学习任务单上的动作分解图，尝试用“先…然后…最后…”的句式描述完整流程。即时评价标准：1.分解步骤是否涵盖了“移动”、“升降”、“抓取”等关键动作节点。2.步骤间的逻辑顺序是否合理、无矛盾。3.小组讨论时，每位成员是否都能参与表述自己的理解。形成知识、思维、方法清单：★硬件功能映射：明确机器人每个执行机构（电机）对应的仿生功能，这是编程的物理基础。★任务分解思维：将复杂、连续的现实任务分解为一系列离散、可执行的机械动作步骤，这是计算思维中“分解”策略的首次具象化应用。★顺序逻辑：分解后的步骤存在严格的先后次序，这自然引出了编程中最基本的结构——顺序结构。任务二：基础动作的编程实现教师活动：蓝图有了，现在开始“施工”！我们的工具就是这些编程模块。如何让大象走三步？对，用“移动转向”模块，设定圈数或度数。但怎么让它停下来放下鼻臂呢？这里需要一个“等待”吗？其实，我们可以直接用“移动转向”模块的持续时间来控制。大家动手试试，先编写“直行3秒”的程序，运行看看。（巡视指导）好，大部分组成功了。接下来，请为“放下鼻臂”这个动作编程。注意，鼻臂电机和行走电机是独立的，所以我们需要一个新的电机模块。思考：它是应该与行走同时开始，还是等走完了再开始？根据我们的分解图，对，是顺序执行。所以，请把“电机A”模块拖到“移动转向”模块后面，设置一个向下的功率和时长。“大家注意观察，鼻臂放下的速度和力度合适吗？如果太快像砸下去，该怎么调整参数？”（引导学生发现功率与时间的配合）。现在，请各小组根据你们的分解图，尝试将前两个步骤（前行、放下鼻臂）连成一个完整的程序段。学生活动：在EV3图形化编程环境中，拖拽“移动转向”模块，设置参数实现直行。在此基础上，添加电机模块控制鼻臂动作，初步体验两个模块顺序连接的效果。通过多次测试，观察机器人实际动作与预期的差异，并尝试调整功率、时间等参数进行微调。即时评价标准：1.能否正确选择与动作对应的编程模块（移动转向vs.单个电机）。2.模块间的连接顺序是否符合分解图逻辑。3.是否开始有意识地在测试后调整参数，而非盲目尝试。形成知识、思维、方法清单：★编程模块选择：根据动作类型（移动/单关节运动）准确选用“移动转向”或“电机”模块。★参数的意义：功率决定力度与速度，时间或圈数决定动作幅度，二者需配合调试以达到理想效果。★顺序结构的搭建：在编程界面中，模块的物理连接顺序即代表了指令的执行顺序，这是将流程图转化为代码的关键操作。▲调试的起点：认识到程序一次编写就完美的可能性很低，参数调试是工程实践的常态。任务三：引入传感器——让鼻子“感知”世界教师活动：现在，我们的大象能走能动了，但它还是个“盲人”，不知道面前有没有物品。怎么让它“看见”或“触碰到”物品呢？对，请出我们的传感器朋友！今天主要用触动传感器，把它想象成大象鼻尖的神经末梢。怎么编程实现“当鼻尖碰到东西，就停止前进并开始卷起”这个逻辑？这就需要一个“等待”模块，但这次我们等待的不是时间，而是一个“事件”——等待触动传感器被按下。（演示在“等待”模块中选择“触动传感器比较状态=1（按下）”）。请将这个“等待触碰”模块，插入到“直行”和“开始卷起”这两个动作之间。思考一下，这个插入点为什么至关重要？“没错，小B说对了，这样才能在碰到物品的瞬间切换动作，不然就会一直走或者没碰到就卷了。”大家动手改造一下之前的程序吧。学生活动：在教师引导下，理解“等待传感器事件”模块的作用。在原有的“直行”与“鼻臂动作”模块之间，插入“等待触动传感器被按下”模块。测试时，有意用物品触碰机器人的触动传感器，观察程序是否能按预期中断行走并启动下一步动作。体验事件驱动编程与纯粹时间控制的不同。即时评价标准：1.能否理解“等待事件”与“等待时间”的本质区别。2.能否将“等待传感器”模块准确插入到程序流程中的正确逻辑节点。3.测试时能否主动创造传感器被触发的条件以验证程序。形成知识、思维、方法清单：★传感器作为输入：认识机器人通过传感器感知环境，其信号是程序做出判断的条件。★事件驱动逻辑：程序并非一味顺序执行到底，可以在某个条件（事件）满足时才继续，这引入了最基础的条件逻辑概念。★程序流程控制：通过插入等待模块，实现了对程序执行流程的精确控制，使机器人的行为具备了一定的环境交互性。任务四：循环结构的效率优化教师活动：任务越来越复杂了！如果我们想让大象在场地里来回巡逻，寻找多个物品，难道要把“行走等待触碰卷起返回”这段程序复制粘贴十几遍吗？有没有更聪明的办法？想想我们以前学过的，处理重复事情的好工具——“循环”。（展示循环模块）今天我们用“无限循环”，把它像一个大盒子一样，把需要重复执行的步骤装进去。请大家尝试：将“直行等待触碰卷起动作掉头”这几个模块组合，放入一个“循环”中。运行一下看看发生了什么？“哇，它真的不知疲倦地工作了！但好像停不下来了……”这正是无限循环的特点。那我们想让它捡起3个物品后回家休息，怎么办？这需要“循环计数”，是我们下节课的挑战。今天，我们先感受循环带来的效率提升。学生活动：尝试使用循环模块包裹一段连续的动作序列。观察机器人进入重复工作模式的现象，直观感受循环结构在简化程序、实现重复任务上的巨大优势。思考并讨论如何控制循环次数，为后续学习预设伏笔。即时评价标准：1.能否理解循环模块的功能是使其内部的程序段重复执行。2.能否正确地将一组逻辑上需要重复的动作模块拖入循环体内。3.是否对循环的控制（开始、结束条件）产生好奇与疑问。形成知识、思维、方法清单：★循环结构的作用：将需要重复执行的代码块封装起来，极大提高编程效率，简化程序结构，是三大基本控制结构之一。★无限循环的概念：没有内置退出条件的循环会一直执行，适用于需要持续运行的监控或任务。★从顺序到循环的思维进阶：认识到某些问题模式（重复性任务）有更优化的解决方案，这是算法思维的重要提升。任务五：集成测试与个性化优化教师活动：最后的冲刺阶段！请各小组集成前面所有任务成果，编写一个完整的程序，让你们的大象机器人从起点出发，完成至少一次“发现并卷起物品”的任务。我给大家15分钟。在这个过程中，老师提供“技术支持热线”：一是“流程图检查员”，帮你核对逻辑；二是“参数调优师”，针对动作不流畅给出建议。完成基础任务的小组，可以思考我们的“挑战关卡”：如何让大象捡起物品后，发出一个胜利的声音？或者，如何让它的行走路线更智能，避免走重复路？（提示：可以尝试使用陀螺仪传感器）。开始你们的创造吧！学生活动：小组合作，整合顺序、传感器等待、循环等结构，编写完整的项目程序。进行反复测试与调试，解决动作衔接不顺畅、传感器不触发等实际问题。基础任务完成后，部分小组根据挑战卡提示，尝试添加声音模块、或利用陀螺仪传感器优化行走路径，进行个性化功能拓展。即时评价标准：1.最终程序是否能连贯、稳定地完成预设核心任务。2.小组调试过程中是否分工明确，能运用“分步测试”、“变量控制”等策略定位问题。3.是否有小组在完成基础任务后，进行了有价值的个性化功能尝试与探索。形成知识、思维、方法清单：★系统集成与调试：将多个独立功能模块集成为一个完整可用的系统，并解决集成过程中出现的新问题，这是工程项目的关键环节。★调试策略：实践了“分块调试”、“输出中间状态”（如用屏幕显示）等基本调试方法。▲创新拓展：在核心框架上增加个性化功能，体现了数字化学习与创新的素养，为学有余力者提供了施展空间。★工程实践完整性：亲历了从问题定义、设计、实现到测试的相对完整的微型工程项目流程。第三、当堂巩固训练  现在进入“优化展示会”时间。我们将进行分层训练与反馈：1.基础层（全体参与）：各小组运行最终程序，在测试区进行一次公开演示。其他小组作为“观察员”，依据评价量规的“动作完成度”项，进行点赞与提出一个改进建议。例如：“第三组的大象行走非常直，但卷起动作有点快，可以尝试减小功率。”2.综合层（大多数小组可尝试）：发布“情境变式”任务卡：如果物品非常轻，容易被鼻臂弹开，如何修改程序？（提示：考虑在触碰后加入一个微小的停顿或更轻柔的闭合动作）。小组在原有程序上快速修改并验证。3.挑战层（供已完成前述任务的小组选择）：思考并简要描述：如何利用陀螺仪传感器，让大象在走了一个正方形路线后回到原点？请画出简单的传感器使用逻辑图。  教师巡回听取讨论，选取一个“参数调优”典型案例和一个“创意设计”典型案例，请相关小组上台进行1分钟简述。通过这种同伴互评与典型讲评，使反馈即时、具体，并导向深度思考。第四、课堂小结  旅程接近尾声，让我们一起来绘制今天的“思维地图”。请以小组为单位，在白板贴纸上写下：本节课我们用的三个关键词（如：分解、传感器、循环）、最重要的一个方法、以及最大的一个挑战。贴到“我们的算法”专栏。（学生活动后）看来“分解”和“调试”是大家的共识。的确，把大问题拆解成小步骤，再逐个用编程实现并连接，是我们控制复杂项目的法宝。而调试，不是失败，是寻找更优解的过程。  作业布置：必做作业：1.完善课堂调试记录，写出一个你成功解决的bug及其解决方法。2.为你家中的一件电器（如台灯）设计一个三步的“自动化”使用流程（类似我们的动作分解）。选做作业：查阅资料，了解一种真实的仿生机器人（如机器狗、机器鱼），思考它模仿了生物的哪些特性，用到了哪些传感器。六、作业设计基础性作业：1.程序注释家：在你课堂最终的程序中，为每个主要程序段（如行走、等待触碰、卷起）添加简短的注释，说明其功能。2.流程陈述：向家人或同学口头描述你的机器大象是如何完成任务的，必须使用“首先…然后…当…时…最后…”等连接词。拓展性作业：情景设计：“助教大象”升级。设计一个场景，让大象需要区分两种物品（如用颜色区分），只捡起其中一种。请你用文字和简单的图示描述你的解决方案设想（需要增加什么传感器？程序逻辑应如何变化？）。探究性/创造性作业：跨界思考：如果让你设计一个模仿其他动物（如啄木鸟、章鱼）的机器人，你认为最核心的动作是什么？这个动作可以分解为哪几个电机或传感器的配合？请绘制一份初步的“仿生机器人概念设计草图”，并附上简要说明。七、本节知识清单及拓展★仿生设计：从生物的结构、功能或行为中获得灵感，用于工程技术设计。在本课中，我们模仿了大象鼻子的抓取功能。★任务分解：计算思维的核心策略之一。将复杂的整体任务拆分成若干个简单、清晰、可执行的子任务步骤。这是编程前不可或缺的规划阶段。★硬件映射：明确机器人物理构造（电机、传感器）与所要实现的仿生功能或动作之间的——对应关系。这是连接想法与实现的桥梁。★顺序结构：程序最基本的结构，指指令按照出现的先后顺序依次执行。对应着动作分解图中步骤的先后关系。★电机控制模块：EV3编程中，“移动转向”模块用于控制双侧电机实现机器人移动；“电机”模块用于独立控制单个电机，实现关节转动等功能。★参数调试：程序模块中功率、时间、圈数等可调节的数值。通过反复测试并调整这些参数，可以使机器人的动作更精确、流畅。这是工程实践的常态。▲传感器（输入设备）：机器人的“感知器官”。本节课使用的触动传感器是一种开关型传感器，用于检测物理接触（按下/松开）。★等待模块：用于控制程序执行流程。可设置为等待一定时间，或等待某个传感器条件被触发（如“等待触动传感器被按下”），从而实现事件驱动。★事件驱动：一种程序执行模式，程序的某些部分会在特定事件（如传感器被触发）发生时才会运行。这使得机器人能对外部环境做出反应。★循环结构：用于让一段程序代码重复执行多次的控制结构。使用循环可以避免代码冗余，简化程序，高效处理重复性任务。▲无限循环：一种没有内置退出条件的循环，会一直重复执行其内部的代码，直到程序被强制停止。常用于需要持续运行的任务。★系统集成：将各个独立编写、测试的功能模块组合成一个完整的、可协调工作的程序整体。集成后常需进行整体调试。★调试：发现、定位并修复程序错误或优化程序性能的过程。有效的调试策略包括：分步测试、观察现象、合理假设、修改验证。▲计算思维：运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计和人类行为理解的一系列思维活动。本课重点体现了其“分解”、“抽象”、“算法设计”环节。▲工程实践流程：体验了简化的“定义问题设计解决方案（分解/算法）实施（编程）测试与优化”的迭代过程。▲仿生机器人前沿：拓展了解当前仿生机器人的实例，如波士顿动力的机器狗（模仿运动平衡）、机器鱼（模仿流体推进）等，思考其背后的多学科知识融合。八、教学反思  本次教学基本实现了预设目标，学生小组均完成了核心动作的编程与展示，在“任务分解图”的引导下，算法设计的逻辑性明显优于以往。目标达成度的显著证据在于：在“当堂巩固”环节，超过八成的小组能准确指出他组程序中的逻辑顺序错误，并能用学科语言描述，如“他们的等待模块放错了位置，导致没碰到就开始卷”。这表明学生对程序流程的控制逻辑形成了可迁移的理解。  各环节有效性评估如下：导入环节的视频与设问迅速聚焦了“仿生”与“控制”的核心挑战，效果良好。新授环节的五个任务构成了渐进式脚手架，但任务三（引入传感器）到任务四（引入循环）的跨度对部分学生仍显陡峭。虽然设计了分层支持，但在巡视中发现，一些学生在从“顺序+事件”思维转换到“循环包容事件”思维时出现了困惑，表现为将循环模块套在了错误的功能集合上。这提示我，下次需在两个任务之间增加一个“对比程序”的微型环节：即展示同一段“捡取返回”代码，一个用重复粘贴实现三次，一个用循环实现三次，让学生直观对比其结构差异，再动手改造